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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad mit einer integrierten Dämpfungseinrichtung zur Tilgung von aus Drehungleichförmigkeiten resultierenden Schwingungen. Ein derartiges Zahnrad könnte vorzugsweise in einem Antriebsstrang einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet sein.
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Gebiet der Erfindung
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Drehungleichförmigkeiten, die beispielsweise über einen Verbrennungsmotor in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges eingetragen werden, können zu Drehschwingungen und damit zu unerwünschten Vibrationen und Geräuschen führen. Aus dem Stand der Technik sind daher bereits verschiedene Dämpfungssysteme zur Reduktion von Drehschwingungen bekannt, die in der Regel ein Zweimassenschwungrad und/oder ein Fliehkraftpendel umfassen. Bei einem Zweimassenschwungrad wird die Dämpfung über zwei rotierenden Massen bewirkt, die mittels wenigstens einer Feder torsionsweich gekoppelt sind. Das Fliehkraftpendel besitzt wenigstens eine exzentrisch angeordnete rotierende Masse, deren Lage in Bezug auf die Rotationsachse drehzahlabhängig veränderbar ist. Zur Optimierung der Dämpfungswirkung werden oftmals das Zweimassenschwungrad und das Fliehkraftpendel in Kombination eingesetzt. Beispielsweise kann das Fliehkraftpendel motorseitig am Zweimassenschwungrad angeordnet sein, wobei vorzugsweise die Schwingordnung des Fliehkraftpendels mit der Haupterregerordnung des Motors stets übereinstimmt, um eine Dämpfungswirkung im gesamten Drehzahlbereich des Motors zu erzielen.
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Fliehkraftpendel können bei Kolbenmotoren zur Schwingungstilgung eingesetzt werden, wobei diese am Zweimassenschwungrad angebracht sind und bei richtiger Auslegung gegenphasig zur anregenden Schwingung schwingen. Im Besonderen lassen sich Fliehkraftpendel so abstimmen, dass deren Schwingungsordnung stets mit der Haupterregerordnung des Kolbenmotors, also der Zündordnung, übereinstimmt. Somit funktionieren Fliehkraftpendel im gesamten Drehzahlbereich. Ist die anregende Ordnung ein geringes Vielfaches der Drehordnung, gelingt eine geometrisch korrekte Auslegung über die charakteristischen Hebelarmlängen des Fliehkraftpendels. Für hohe Ordnungen wird das Verhältnis dieser Hebelarmlängen zunehmend ungünstiger, wodurch konstruktive Grenzen erreicht werden.
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Aus der
DE 10 2008 032 462 A1 geht ein Vorgelegegetriebe zur Schaltung mehrerer Gänge durch Verbinden zweiter Wellen mittels zwischen diesen angeordneten Zahnradübersetzungen unterschiedlicher Übersetzung, einer Getriebeeingangswelle und einer Getriebeausgangswelle sowie einer zu der Getriebeausgangswelle parallel angeordneten Vorgelegewelle hervor. Zwischen Getriebeausgangswelle und Vorgelegewelle sind mehrere Zahnräder angeordnet und die Vorgelegewelle ist mittels einer Konstantverzahnung mit der Getriebeeingangswelle verbunden. Ferner ist ein Direktgang angegeben, bei dessen Schaltung Getriebeeingangswelle und Getriebeausgangswelle direkt miteinander verbunden werden. Die Vorgelegewelle ist zumindest während einer Schaltung des Direktgangs einer Dämpfung von Drehschwingungen unterworfen. Dazu ist zwischen Vorgelegewelle und Getriebeeingangswelle eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Die Dämpfungseinrichtung ist in einem der die Konstantverzahnung bildenden Zahnräder integriert. Dazu weist die Vorgelegewelle einen Ansatz, der einteilig mit der Vorgelegewelle gebildet ist, jedoch auch als separates Teil drehfest aufgebracht werden kann, auf. Der Ansatz nimmt an separat hierfür ausgesparten Taschen mehrere über den Umfang verteilte Energiespeicher auf, die sich an einem Ende am Ansatz abstützen. Das andere Ende der Energiespeicher, die hier als Schraubenfedern dargestellt sind, stützt sich an komplementär zu den Taschen ausgebildeten Taschen des Zahnrades ab. Das Zahnrad ist verdrehbar auf einem stufenförmigen Abschnitt der Vorgelegewelle aufgenommen und axial gesichert.
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Ferner geht aus der
DE 100 66 436 B4 ein Schwingungsdämpfersystem zum bevorzugten Bedampfen von Drehungleichförmigkeiten mit einer Frequenz oder in einem Frequenzbereich im Bereich einer kritischen Anregungsfrequenz eines Antriebsstranges. Dieses umfasst einen ersten und einen zweiten Dämpfungsbereich. Der erste Dämpfungsbereich umfasst wenigstens eine Auslenkungsmasse, welche an einem um eine Drehachse drehbaren Auslegungsmassenträger derart gelagert ist, dass bei Auftreten von Drehungleichförmigkeiten eine radiale Lage derselben bezüglich der Drehachse veränderbar ist. Der zweite Dämpferbereich umfasst eine Dämpferelementenanordnung, welche bei Auftreten von Drehungleichförmigkeiten unter Erzeugung einer Rückstellkraft elastisch verformbar ist. Der Auslenkungmassenträger des ersten Dämpferbereichs bildet wenigstens einen Teil eines Schwungrades einer Reibungskupplungsanordnung und der zweite Dämpferbereich ist im Bereich einer Kupplungsscheibe der Reibungskupplung vorgesehen. Die wenigstens eine Auslenkungsmasse mit dem Auslenkungsmassenträger ist an wenigstens zwei in Abstand zueinander liegenden Kupplungsbereichen bezüglich diesem bewegbar gekoppelt. Jeder Kupplungsbereich in dem Auslenkungsmassenträger weist eine erste Führungsbahnanordnung mit radial außen liegendem Scheitelbereich und in der Auslenkungsmasse eine zweite Führungsbahnanordnung mit radial innenliegendem Scheitelbereich sowie einen Kupplungsbolzen auf. Der Kupplungsbolzen ist an der ersten Führungsbahnanordnung und der zweiten Führungsbahnanordnung geführt und entlang derselben bewegbar.
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Bei Zahnrädern wird ähnlich wie bei Motoren eine von der Drehordnung abhängige anregende Ordnung hervorgerufen. Durch den sequenziellen Eingriff der Zähne und der Steifigkeitsschwankungen über den Zahneingriff tritt die Zahneingriffsordnung maßgeblich hervor. Harmonische Schwingungen spielen meist eine untergeordnete Rolle. Die Zahneingriffsfrequenz ist abhängig von der Drehfrequenz bzw. der Drehzahl und der Zähnezahl. Aufgrund dieses Zusammenhangs ist die Zahneingriffsordnung ein hohes Vielfaches der Drehordnung. Daher ist ein konventioneller Einsatz des Fliehkraftpendels bei Zahnrädern nicht möglich.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad mit einer integrierten Dämpfungseinrichtung bereitzustellen. Durch die Dämpfungseinrichtung sollen aus Drehungleichförmigkeiten resultierende Schwingungen getilgt werden.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Zahnrad gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß umfasst die Dämpfungseinrichtung mindestens einen an dem Zahnrad angeordneten Drehschwingungsdämpfer, der einen ersten und einen zweiten Massekörper aufweist, wobei eine Masse des ersten Massekörpers größer ist als eine Masse des zweiten Massekörpers. Die Dämpfungseinrichtung des Zahnrades kann aber auch zwei oder mehrere Drehschwingungsdämpfer aufweisen. Der Drehschwingungsdämpfer kann vorteilhafterweise als Modul an einer Stirnfläche des Zahnrades angebracht werden, aber auch in einer Aussparung in der Stirnfläche des Zahnrades angeordnet sein. Dadurch gestaltet sich die Integration der Dämpfungseinrichtung besonders montage- und wartungsfreundlich.
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Vorzugsweise ist der erste Massekörper über an dem Zahnrad angeordnete Führungsmittel von einer Rotationsachse des Zahnrades radial nach außen zu einer Umfangsfläche des Zahnrades hin linear bewegbar. Mit anderen Worten führt der erste Massekörper eine lineare Bewegung von der Rotationsachse des Zahnrades in Richtung einer Verzahnung des Zahnrades aus. Die treibende Kraft für diese lineare Bewegung ist im Wesentlichen die aus der Drehzahl des Zahnrades resultierende Fliehkraft, die auf den ersten Massekörper einwirkt. Die Führungsmittel können entweder zumindest teilweise den ersten Massekörper umfassen, wie beispielsweise seitlich angeordnete Führungen, oder wie beispielsweise eine Führungsstange die mit einer Rotationsachse des Zahnrades verbunden ist an dem ersten Massekörper angeordnet sein. Eine Kombination aus den beiden Alternativen ist ebenfalls denkbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Massekörper radial zur Rotationsachse des Zahnrades gegen mindestens ein Federelement abgestützt. Dabei kann das Federelement als weiche Druckfeder mit einer geringen Federkraft ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch ein elastisches Federelement aus einem Kunststoff oder Gummi. Das Federelement verhindert, dass bei Kopflage des ersten Massekörpers und einer geringen Drehzahl des Zahnrades der erste Massekörper schlagartig in Richtung Rotationsachse des Zahnrades fällt.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der zweite Massekörper an einer am Zahnrad angeordneten Schwenkbahn radial zur Anlage kommt. Vorzugsweise ist die Schwenkbahn direkt am Zahnrad ausgebildet. An dieser Schwenkbahn führt der zweite Massekörper eine pendelnde hin und her Bewegung aus.
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Besonders bevorzugt ist die Schwenkbahn zum zweiten Massekörper hin zumindest teilweise konkav gekrümmt. Dadurch ist es denkbar, dass die Schwenkbahn mindestens eine gekrümmte Fläche, die durch einen von der Rotationsachse des Zahnrades ausgehenden Radius gebildet ist, umfasst. Beliebige Radien, die die gekrümmte Fläche der Schwenkbahn ergeben, sind ebenfalls möglich.
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Vorzugsweise kommt der zweite Massekörper an einer am ersten Massekörper ausgebildeten Bahn zur Anlage. Dadurch kann der erste Massekörper auf den zweiten Massekörper einwirken. Der Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Massekörper findet somit über die am ersten Massekörper angeordnete Bahn statt. Je größer die aus der Drehzahl des Zahnrades resultierende und auf den Massekörper einwirkende Fliehkraft ist, umso größer ist eine über den ersten Massekörper auf den zweiten Massekörper wirkende Radialkraft, die den zweiten Massekörper in Richtung eines Scheitelpunktes der Schwenkbahn drückt.
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Des Weiteren bevorzugt ist die am ersten Massekörper ausgebildete Bahn zum zweiten Massekörper hin zumindest teilweise konvex gekrümmt. Mit anderen Worten weist die Bahn eine Krümmung auf, die im Wesentlichen durch mindestens einen Radius beschrieben werden kann. Dieser Radius ist größer als der Radius der Schwenkbahn, beziehungsweise die Krümmung der Bahn ist geringer als die Krümmung der Schwenkbahn.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die am ersten Massekörper ausgebildete Bahn durch mindestens eine ebene Fläche gebildet. Demnach könnte der erste Massekörper in einem Ausführungsbeispiel als Quader ausgebildet sein. Andere geometrische Formen sind jedoch auch denkbar. So könnte die am ersten Massekörper ausgebildete Bahn aus zwei oder mehr Flächen bestehen, die sich in einem stumpfen Winkel schneiden.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der zweite Massekörper die Geometrie eines Zylinders oder einer Kugel aufweist. Durch diese Merkmale kann der zweite Massekörper eine Rollbewegung ausführen und entlang der Schwenkbahn abwälzen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Massekörper aus einem anderen Werkstoff ausgebildet als der zweite Massekörper. Dies nimmt insbesondere Einfluss auf das Größenverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Massekörper. Der erste Massekörper kann nämlich durchaus ein kleineres Volumen als der zweite Massekörper aufweisen, obwohl die Masse des ersten Massekörpers größer ist als die Masse des zweiten Massekörpers. Als Werkstoff können insbesondere metallische oder keramische Werkstoffe, aber auch Polymere und Verbundwerkstoffe dienen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrades mit einer Dämpfungseinrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
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2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrades mit einer Dämpfungseinrichtung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels, und
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3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrades mit einer Dämpfungseinrichtung gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Gemäß 1 weist ein Zahnrad 1 eine Dämpfungseinrichtung 2 auf, die aus zwei Drehschwingungsdämpfern 3a, 3b besteht. Die Drehschwingungsdämpfer 3a, 3b umfassen jeweils einen ersten Massekörper 4a, 4b, der über eine jeweilige Führungsstange 11a, 11b von einer Rotationsachse 6 des Zahnrades 1 radial nach außen zu einer Umfangsfläche des Zahnrades 1 hin linear bewegbar ist, jeweils ein Federelement 7a, 7b und jeweils einen zweiten Massekörper 5a, 5b. Der zweite Massekörper 5a, 5b ist als Kugel ausgebildet und befindet sich zwischen einer jeweils an dem Zahnrad 1 ausgebildeten Schwenkbahn 8a, 8b und einer am jeweils ersten Massekörper 4a, 4b ausgebildeten Bahn 9a, 9b. Die jeweilige Schwenkbahn 8a, 8b zum jeweiligen zweiten Massekörper 5a, 5b hin ist konkav gekrümmt. Das Zahnrad 1 weist jeweils eine Aussparung 10a, 10b zur Aufnahme der beiden Drehschwingungsdämpfer 3a, 3b auf.
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Gemäß
2 weist das Zahnrad
1 nur einen Drehschwingungsdämpfer
3 auf. Die am ersten Massekörper
4 ausgebildete Bahn
9 ist zum zweiten Massekörper
5 hin konvex gekrümmt. Die Schwenkbahn
8 hingegen ist zum zweiten Massekörper
5 hin konkav gekrümmt und weist einen Scheitelpunkt auf. Die Krümmung der Bahn
9 ist geringer als die Krümmung der Schwenkbahn
8. Die zweite Masse
5 kann entlang der Schwenkbahn
8 hin und her pendeln. Der erste Massekörper
4 ist so geführt, dass nur eine radiale Bewegung möglich ist. Auf beide Massekörper wirkt eine Fliehkraft. Bei dem ersten Massekörper
4 bewirkt die Fliehkraft eine Verlängerung des Hebelarms
11 und auf den zweiten Massekörper
5 bewirkt die Fliehkraft eine Positionsänderung des zweiten Massekörpers
5 auf der Schwenkbahn
8. Die Fliehkraft, die auf den ersten Massekörper
4 wirkt, überträgt sich auf den zweiten Massekörper
5. Hierdurch wird eine Rückstellkraft R des zweiten Massekörpers
5 erhöht. Es gilt folgender Zusammenhang:
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Dabei symbolisiert R die Rückstellkraft, m die Masse des zweiten Massekörpers 5, M die Masse des ersten Massekörpers 4, L den Hebelarm 11, Ω die Winkelgeschwindigkeit und φ den Auslenkungswinkel.
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Für kleine Auslenkungswinkel gilt für eine Tilgerordnung q: q = (((m + M)/m) × [L/I))0,5
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Aus diesem Zusammenhang ergibt sich, dass sich die Tilgerordnung q auch für höhere Anregungsordnungen über die Massenverteilung entsprechend auslegen lässt.
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Gemäß 3 die am ersten Massekörper 4 ausgebildete Bahn durch drei ebene Flächen gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1 Zahnrad
- 2 Dämpfungseinrichtung
- 3, 3a, 3b Drehschwingungsdämpfer
- 4, 4a, 4b erster Massekörper
- 5, 5a, 5b zweiter Massekörper
- 6 Rotationsachse
- 7, 7a, 7b Federelement
- 8, 8a, 8b Schwenkbahn
- 9, 9a, 9b Bahn
- 10, 10a, 10b Aussparung
- 11, 11a, 11b Führungsstange
- Auslenkung
- R Rückstellkraft
- I Hebelarm
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008032462 A1 [0004]
- DE 10066436 B4 [0005]
